大體積混凝土溫度場及裂縫控制

黃賢君

(江蘇華寧工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引 言

隨著我國經濟的發展，在進行基礎建設的過程中，大體積混凝土的應用越來越廣泛[1_2]?！洞篌w積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)定義混凝土結構物實體最小尺寸不小于1 m，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土為大體積混凝土[3]。對于較大的跨江、跨河、地質條件特殊或需要跨過建筑物的橋梁，為不對通航或周邊建筑物造成不利影響，往往采用一跨而過的橋梁結構形式[4]。這樣的橋梁需要足夠大的主墩承臺，其最小尺寸遠大于1 m，為大體量混凝土結構[5]。

水泥在水化過程中會產生大量熱量，在大體積混凝土內外部散熱能力不一，會導致溫度差從而產生溫度應力，使得形成溫度裂縫[6_7]。大體積混凝土施工中，溫度是核心指標之一?，F有研究普遍認為：大體積混凝土在硬化過程中產生的水化熱引起混凝土內外溫差超過25 ℃會導致混凝土開裂[8_9]，而單一的指標往往不能夠全面的反應結構中的溫度變化。本文基于某橋工程實例，對混凝土內溫度變化進行多維度分析，并從施工角度對混凝土澆筑后如何降低水化熱提出幾點方法，從而對裂縫控制目的進行研究。

1 溫度場監測方案

1.1 工程概況

本工程為連續剛構橋，主橋跨徑100 m+160 m+100 m，其中柱墩承臺尺寸為22.4 m×13.0 m×4.5 m。本工程混凝土采用一次澆筑的方法進行澆筑，澆筑過程中采用冷卻水對現澆混凝土進行降溫，冷卻水管埋設間距為1 m，共設置4層(見圖1)。

圖1 冷卻水管布置

1.2 測點布置

在承臺混凝土澆筑前進行了溫度傳感器的埋設，溫度傳感器按承臺水化熱有限元計算結果及《大體積混凝土施工標準》中6.0.2條規定進行布置[3]。為了能夠反應承臺中水化熱溫度場的分布情況和承臺混凝土里表溫差、降溫速率等參數的時程關系。將傳感器布置位置分為底層區、中層區和頂層區，在底層區和頂層區埋置3個傳感器，中層區域埋置6個傳感器(見圖2)。

(a) 底層傳感器 (b) 中層傳感器 (c) 頂層傳感器

(2)13號墩左幅承臺溫度傳感器布置立面圖圖2 承臺溫度傳感器布置(單位：m)

2 溫度場監測結果與分析

2.1 溫度監測表分析

本工程混凝土澆筑完成后立即進行溫度監測(見表1～3)，其中M-6測點破壞，未列出其監測記錄。整體上來說，結構物內部溫度較高，邊緣溫度較低；表明由于體積較大，使得熱傳導路徑變長，導致中間溫度較高。

在表1中，底層混凝土中心D-1測點溫度在澆筑后4 d左右達到最大值，在該水平維持1周左右后，緩慢下降；底層外緣D-3測點溫度在升至最高值后快速下降。而溫度最高出現在中心點附近，在表2的M-4測點在第4天的時候達到最高溫度84.8 ℃。頂層的三測點溫度下降得較快，在2～3 d基本達到峰值之后降低，直到平穩。

表1 大體積混凝土底層各測點溫度監測情況

續表1 大體積混凝土底層各測點溫度監測情況

表2 大體積混凝土中層各測點溫度監測情況

續表2 大體積混凝土中層各測點溫度監測情況

表3 大體積混凝土頂層各測點溫度監測情況

2.2 最大溫差時程曲線分析

根據采集的溫度數據，繪制承臺里表最大溫差時程圖以及各測點溫度時程曲線(見圖3、圖4)。從圖中可以看出，在澆筑后的第2天最大溫差已經超過25 ℃，并在第6天的時候達到峰值55 ℃；之后隨著時間增加，溫差開始降低并呈現穩定狀態。依規范，本實例的溫差已經遠遠超過25 ℃，加大了裂縫產生的可能性。

2.3 降溫速率時程曲線分析

降溫速率一定程度上反應溫度應力的增加情況，圖4給出了各個測點降溫速度時程曲線。對比不同區域的測點可以看出，中層、頂層的各個測點降溫速率超過2 ℃/d要大于頂層。頂層混凝土U-1、U-2、U-3三測點溫度變化時程曲線說明在混凝土邊緣處混凝土內外熱量交換快(見圖5)，在澆筑1周后便可進行正常的保濕養護。

圖3 承臺里表最大溫差時程圖

圖4 各測點降溫速率時程圖

圖5 三測點溫度變化時程圖

3 裂縫控制

通過對實際大體積混凝土工程施工澆筑過程溫度變化的監測與研究，了解到對于大體積混凝土結構混凝土內、外溫度差和溫度變化速率都超出了《大體積混凝土施工標準》的要求，難以完全解決裂縫的產生。結合實際工程經驗，提出以下措施以減少本工程中混凝土裂縫的產生：

(1)在施工準備過程中，應考慮使用水化熱相對較低和凝結時間較長的水泥，如中硅酸水泥、大壩水泥以及礦渣水泥等，從源頭減少水化熱的產生。同時，應考慮在水泥中添加緩凝劑、減水劑及摻合料，如粉煤灰以及礦粉等，以降低單方混凝土中水泥的用量。此外，應注意粗骨料的級配是否連續以及細骨料宜采用中砂，還可以在攪拌前對砂石料進行物理降溫。

(2)在施工過程中，應當合理劃分結構物并分塊澆筑混凝土，即采用跳倉法進行施工，以避免大體積混凝土施工初期部分激烈溫差及起干燥作用。同時，可采用混凝土冷卻系統，根據溫度監測數據，從中間往兩側、從上往下布置冷卻水管道，借助水較大的比熱容以及其流動性，有效地帶走混凝土水化產生的熱量。

(3)混凝土澆筑完成后的第1個星期是保溫、保濕養護的關鍵，需要重點加以關注；其保濕養護的持續時間不宜少于14 d，具體養護時間與結構物斷面尺寸大小成正比，斷面尺寸越大，養護時間應當越大。

4 結 論

大體積混凝土的溫度控制是裂縫控制的關鍵一環，通過對具體大體積混凝土工程實例澆筑后溫度變化情況的研究，確定了大體積混凝土結構在澆筑后極易產生裂縫的原因，并據此提出了可行的裂縫控制措施。

(1)結合《大體積混凝土施工標準》與對實際工程實例的研究，造成大體積混凝土結構產生裂縫的主要原因一是混凝土內外溫差超過25 ℃。二是溫度下降速率超過2 ℃/d。

(2)在混凝土澆筑前期、混凝土澆筑過程以及混凝土澆筑完成后可以通過降低水化熱的產生、加速水化熱的彌散以及做好混凝土的養護等措施，以降低水化熱對大體積混凝土的影響，從而達到裂縫控制的目的。